JP4397130B2

JP4397130B2 - ライン型照明装置

Info

Publication number: JP4397130B2
Application number: JP2001087602A
Authority: JP
Inventors: 雅文田川
Original assignee: Sumita Optical Glass Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sumita Optical Glass Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002288644A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明装置に係り、特に画像読み取りシステムや形状検出システムの対象物へのライン状の領域を照明する照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＣＣＤラインイメージセンサーを用いた画像読み取りシステムや形状検出システムでは、移動する対象物をライン状の照明光で照明し、ＣＣＤラインイメージセンサを受光素子としたカメラで対象物を検出する。
これらの照明装置は図２（ａ）に示すように、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等の光源６からの光を単繊維の光ファイバーを束にした、いわゆるライトガイド７に入射させ（入射角度γ）、ライトガイドの出射端８の出射端面５から出射させ、その出射光をシリンドリカルレンズ９で集光し、ライン状の照明光１０を得るものである。出射端８では図２（ｂ）に示すように光ファイバー１８を平行かつ端面を揃えてシート状（ライン状）に配列して出射端面５を形成している。
【０００３】
しかし図３に示すように、このシステムでのライン光（出射される光）は、光ファイバーを複数の層のシート状に配列したライトガイドの出射端８の出射端面５を、シリンドリカルレンズ９のＹ軸方向のみ結像し、Ｘ軸方向は結像しない特性を利用し、ライトガイド出射端面５の画像を絞り１８を通してライン状照明光１０として拡大結像させているため、図２（ｂ）に示したような複数の層でシート状に配列された光ファイバー２２の各層間の隙間が、ライン光内に横縞の照度分布１１（Ｙ軸方向の分布を示す）として現れてしまい、ライン光の照度分布特性を悪くする問題があった。
また、これを回避する方法として、特開平９−３１１２７９号公報等に開示されているように、意識的に結像位置を後方にずらせていわゆるピンボケの状態でライン光を得る方式がある。しかしこの方式では明確な光のラインは得られず、ライン光の幅全体に均一化することは困難で、中心の均一に近い部分のみを使用するに止まっている。
【０００４】
また、このライン状照明装置は、ライトガイドの開口角を光源の入射角度（図２のγ）以上にするのが一般的である。その理由は、逆の場合、個々の光源の入射角度や光量分布のバラツキによってライトガイドへの入射光量が大きく変化し、システムとして常に安定した光量が得られない事態が発生するからである。
このことにより、図４に示すようにライトガイド１の出射端面５からの出射光１２の出射角度βはシリンドリカルレンズ９で集光できる受光角度αを大きく越えており、結果的に多くの光を無駄にしている問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術における問題点を解決し、ライトガイドを使用したライン型照明装置において、均一な照度分布のライン状照明光が得られ、さらにシリンドリカルレンズでの集光効率がよく高い強度のライン状照明光が得られるライン型照明装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の構成を採ることにより上記課題を解決するものである。
（１）光源からの光を複数の光ファイバーを束ねたライトガイドの一端に入射させ、他端から出射して照明する照明装置であって、そのライトガイド出射端の光ファイバーを平行かつ端面を揃えてシート状に配列してライン状の出射端面を形成し、その出射端からの出射光をシリンドリカルレンズでライン状に結像させ、ライン状照明光を得るライン型照明装置において、出射端面の外側に反射平面を有する一対の反射部材を、出射端面を挟んで光ファイバーと平行に配置して出射光が通過する反射空間を設け、該反射空間内で出射光を反射させ、反射空間出射端から出射することによって均一な強度分布のライン状照明光が得られるように構成し、前記ライトガイドの出射端面の厚みをＳｔ、反射空間を形成する１対の反射平面の間隔をＭｔ、シリンドリカルレンズの光軸からの受光角をθ、反射空間の光軸方向の長さをＬ _１としたとき、これらの数値が式(1)及び(2)を満足することを特徴とするライン型照明装置。
【数３】

（２）（１）に記載のライン型照明装置の反射部材の先端に、傾斜反射面を有する傾斜反射部材を配置して出射光が通過する傾斜反射空間を設け、該傾斜反射空間内で出射光を反射させ、傾斜反射空間出射端から出射することによって出射光の出射角度を修正し、強度の高いライン状照明光が得られるように構成してなることを特徴とするライン型照明装置。
【０００７】
（３）前記傾斜反射部材の光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等であり、使用する光ファイバーの開口角をθｆとしたとき、傾斜反射空間の光軸方向の長さＬ _２が式(3)を満足する値であることを特徴とする（２）に記載のライン型照明装置。
【数４】

（４）光源からの光を複数の光ファイバーを束ねたライトガイドの一端に入射させ、他端から出射して照明する照明装置であって、そのライトガイド出射端の光ファイバーを平行かつ端面を揃えてシート状に配列してライン状の出射端面を形成し、その出射端からの出射光をシリンドリカルレンズでライン状に結像させ、ライン状照明光を得るライン型照明装置において、出射端面の外側に反射平面を有する一対の反射部材を、出射端面を挟んで光ファイバーと平行に配置して出射光が通過する反射空間を設け、該反射空間内で出射光を反射させ、反射空間出射端から出射することによって均一な強度分布のライン状照明光が得られるように構成し、ライン型照明装置の反射部材の先端に、傾斜反射面を有する傾斜反射部材を配置して出射光が通過する傾斜反射空間を設け、該傾斜反射空間内で出射光を反射させ、傾斜反射空間出射端から出射することによって出射光の出射角度を修正し、強度の高いライン状照明光が得られるように構成し、前記傾斜反射部材の光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等であり、使用する光ファイバーの開口角をθｆとしたとき、傾斜反射空間の光軸方向の長さＬ _２が式(3)を満足する値であることを特徴とするライン型照明装置。
［数４］
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のライン型照明装置について、図面にもとづいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施態様についてその基本的な構造を示したものである。この照明装置は、直径数十μｍ〜数百μｍ程度の光ファイバー単繊維を平行かつ端面を揃えて複数の層からなるシート状に配列してライン状の出射端面５を形成したライン型ライトガイド１の出射端面５の外側に、反射平面を有する一対の反射部材２を出射端面５を挟んで反射平面が光ファイバーと平行（光軸と平行）になるように配置して反射空間１９を設けたものである。
【０００９】
１本の光ファイバーから出たある角度の光線３は、反射空間１９の反射平面で反射し、反射空間出射端４から出射する。他の角度の光線も同様に反射平面で反射し、それらが各光ファイバーで起こることにより、結果的にライトガイド１の出射端面５が反射空間１９の出射端である反射空間出射端４に移動したと同様の状態になる。
このとき、反射空間出射端４でのＹ軸方向（図２（ａ）参照）の強度分布は、各光ファイバーからの出射光が開口角の広がりを持っているため、平行平面反射部材２で反射をすることによって均一化される。
【００１０】
この反射空間出射端４をライトガイド１の仮想出射端面と見なし、この仮想出射端面画像をシリンドリカルレンズによりライン光を必要とする位置に結像させることによって、光が均一化された仮想出射端面が、光が均一化されたライン光として拡大投影されることになり、均一なライン状照明光を得ることができる。
図５に図１の反射部材２を付加したライン型照明装置の光学系を示す。
【００１１】
シート状のライトガイド１から出射した光は、一対の平行平面を有する反射部材２で反射し、反射空間出射端４から出射する。このとき、ライトガイド１の出射端面５からの出射光の広がり角度と反射空間出射端４からの出射光の広がり角度は、Ｙ軸に垂直な一対の平行平面での反射であるため、Ｙ軸方向に関しては同一である。
仮想端面である反射空間出射端４の画像をシリンドリカルレンズ９でライン状の照明光１３として拡大結像させることで、ライン幅に対して均一な照度分布１４（Ｙ軸方向の分布）が得られる。
【００１２】
反射部材２の条件としては、図６に示すように、ライトガイド１の出射端面５の厚みをＳｔ、反射空間１９を形成する１対の反射平面の間隔（反射空間出射端４の間隔に等しい）をＭｔ、シリンドリカルレンズの光軸からの受光角をθ、反射空間１９の光軸方向の長さをＬ１としたとき、これらの数値が式(1)及び(2)を満足するように設定する。
【数５】

【００１３】
なお、シリンドリカルレンズの光軸からの受光角θは、シリンドリカルレンズの大きさ、焦点距離、明るさ（Ｆ値）、ライン光の結像距離（ワーキングディスタンス）等によって決まる角度で、一般的な平凸レンズの結像公式で算出できる。
Ｌ₁が上記範囲よりも短い場合は、均一化されていないきつい角度のライトガイドからの直接光がシリンドリカルレンズに入ってしまい、ライン光の強度分布を劣化させる要因となる。
【００１４】
図７は、本発明の第２の実施態様についてその基本的な構造を示したものである。図７の装置は図６の装置の反射部材２の先端に対面する一対の傾斜反射面を有する傾斜反射部材１５を配置して傾斜反射空間２０を設けたものである。反射空間出射端４から出射する光の広がり角度は、ライトガイドの出射端面５から出射する出射光の広がり角（図４のβ）と同一であり、図４に示したようにシリンドリカルレンズ９で受光できる角度（図４のα）を越えており、無駄になる光がある。
【００１５】
そこでこの態様の装置では図７に示すように、反射部材２の先端に傾斜反射面を有する傾斜反射部材１５を、反射部材２の反射平面に連続して傾斜反射平面が形成されるように付加し、反射空間出射端４から出射する光を傾斜反射空間内で反射させて傾斜反射空間出射端２１から出射させることにより、無駄になる大きい角度の光をシリンドリカルレンズで集光可能なゆるい角度の光に変換し、それによって従来より明るい光の得られる、すなわち集光効率の良いライン型照明装置としている。
【００１６】
図８に図７の傾斜反射部材１５を付加した反射空間の構成を示す。光線１６は傾斜反射部材１５が無い場合の仮想出射光を示し、傾斜反射部材１５を付加したことによって、光線１７に変換され、レンズへ集光可能な角度で出射することがわかる。傾斜反射部材１５の条件としては、光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等となるようにし、使用する光ファイバーの開口角をθｆとしたとき、傾斜反射空間の光軸方向の長さＬ₂が式(3) を満足する値とするのが望ましい。
【数６】

【００１７】
傾斜反射部材の光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等となるようにする理由は、ライトガイドの光軸付近のゆるい角度の光、すなわちシリンドリカルレンズの受光角θ以内の光は均一に近い強度分布であるため、この光軸付近の光は直接シリンドリカルレンズに入射させ、強度分布を劣化させる原因となるきつい角度の光のみを傾斜反射部材で反射させることによって光線の角度をシリンドリカルレンズの受光角θ以内に変換させることができ、ライン光の光量を増加させることができる。
また、長さＬ₂が式(3) の範囲より短い場合、ライトガイドのきつい出射角の光が反射せずに直接出射してしまい、強度分布を劣化させる要因となる。
【００１８】
図９は本発明の反射部材及び傾斜反射部材を付加した構成のライン型照明装置のシステム構成を示す図である。
本システムによれば、メタルハライドランプやハロゲンランプ等の光源６からの光をライトガイド７に入射させ、シート状に配列したライトガイドの出射端８の出射端面と、それに密着固定された反射部材２及び傾斜反射部材１５の間を通過させ、傾斜反射空間出射端２１から出射した光をシリンドリカルレンズ９によって集光し、反射空間出射端の画像を必要とする位置に結像させることにより、均一な照度分布のライン光１３を良好な集光効率で得ることができる。
【００１９】
反射部材及び傾斜反射部材の材質・構造としては、ガラスで製作し反射面にアルミニウムや誘電体多層膜の反射膜をコーティングしたもの、ステンレス等で製作し反射面を鏡面研磨したもの、他の金属で製作しメッキにより反射面を形成したものなどが好適に使用できる。また、透明なガラスやアクリル等で反射空間に相当する形状の部材を製作し、空気との境界で屈折率の違いにより発生する全反射の効果を利用することも可能である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したところから明らかなように、本発明のライン型照明装置によれば、ライン光の照度分布に横縞の強度むらが一切無く、また従来より集光効率の良い、すなわち明るいライン光を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るライン型照明装置の第１の実施態様についてその基本構造を示す図。
【図２】従来のライン型照明装置のシステム構成を示す図。
【図３】従来のライン型照明装置の基本的な問題点を示す図。
【図４】従来のライン型照明装置の他の問題点を示す図。
【図５】本発明に係るライン型照明装置の第１の実施態様の光学系を示す図。
【図６】本発明に係る反射空間の構成を示す図。
【図７】本発明に係るライン型照明装置の第２の実施態様についてその基本構造を示す図。
【図８】本発明に係る傾斜反射空間の構成を示す図。
【図９】本発明に係るライン型照明装置のシステム構成を示す図。
【符号の説明】
１、７ライトガイド２反射部材３、１６、１７光線
４反射空間出射端５出射端面６光源８出射端
９シリンドリカルレンズ１０、１３照明光
１１、１４照度分布１２出射光１５傾斜反射部材
１８絞り１９反射空間２０傾斜反射空間
２１傾斜反射空間出射端２２光ファイバー

Claims

光源からの光を複数の光ファイバーを束ねたライトガイドの一端に入射させ、他端から出射して照明する照明装置であって、そのライトガイド出射端の光ファイバーを平行かつ端面を揃えてシート状に配列してライン状の出射端面を形成し、その出射端からの出射光をシリンドリカルレンズでライン状に結像させ、ライン状照明光を得るライン型照明装置において、出射端面の外側に反射平面を有する一対の反射部材を、出射端面を挟んで光ファイバーと平行に配置して出射光が通過する反射空間を設け、該反射空間内で出射光を反射させ、反射空間出射端から出射することによって均一な強度分布のライン状照明光が得られるように構成し、前記ライトガイドの出射端面の厚みをＳｔ、反射空間を形成する１対の反射平面の間隔をＭｔ、シリンドリカルレンズの光軸からの受光角をθ、反射空間の光軸方向の長さをＬ _１としたとき、これらの数値が式(1)及び(2)を満足することを特徴とするライン型照明装置。
請求項１に記載のライン型照明装置の反射部材の先端に、傾斜反射面を有する傾斜反射部材を配置して出射光が通過する傾斜反射空間を設け、該傾斜反射空間内で出射光を反射させ、傾斜反射空間出射端から出射することによって出射光の出射角度を修正し、強度の高いライン状照明光が得られるように構成してなることを特徴とするライン型照明装置。
前記傾斜反射部材の光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等であり、使用する光ファイバーの開口角をθｆとしたとき、傾斜反射空間の光軸方向の長さＬ_２が式(3)を満足する値であることを特徴とする請求項２に記載のライン型照明装置。
光源からの光を複数の光ファイバーを束ねたライトガイドの一端に入射させ、他端から出射して照明する照明装置であって、そのライトガイド出射端の光ファイバーを平行かつ端面を揃えてシート状に配列してライン状の出射端面を形成し、その出射端からの出射光をシリンドリカルレンズでライン状に結像させ、ライン状照明光を得るライン型照明装置において、出射端面の外側に反射平面を有する一対の反射部材を、出射端面を挟んで光ファイバーと平行に配置して出射光が通過する反射空間を設け、該反射空間内で出射光を反射させ、反射空間出射端から出射することによって均一な強度分布のライン状照明光が得られるように構成し、
ライン型照明装置の反射部材の先端に、傾斜反射面を有する傾斜反射部材を配置して出射光が通過する傾斜反射空間を設け、該傾斜反射空間内で出射光を反射させ、傾斜反射空間出射端から出射することによって出射光の出射角度を修正し、強度の高いライン状照明光が得られるように構成し、
前記傾斜反射部材の光軸からの傾斜角δがシリンドリカルレンズの光軸からの受光角θと同等であり、使用する光ファイバーの開口角をθｆとしたとき、傾斜反射空間の光軸方向の長さＬ _２が式(3)を満足する値であることを特徴とするライン型照明装置。
［数２］